极端高压下拓扑材料的结构与物性关联研究

As a new matter of quantum state, the topological materials have attracted much attentions due to their potential applications in low-power dissipation electronic devices and quantum computation. The doped topological insulators of RxBi2Se3 (R=Cu, Sr, Nb) with strong spin-orbit coupling are promising candidates for topological superconductors in which the normal cores of vortices can host non-Abelian statistic Majorana Fermions (MFs) bound states as one building block for topological quantum computation. In recent years, the extreme high pressure technique based on diamond anvil cell (DAC) has been applied in studying condensed matter to unveil tremendous discoveries of novel quantum matter states that not existing under ambient condition. In this project, we will utilize DAC to generate extreme high pressure to systematically investigate its effect on the crystal structure, lattice dynamics and the correlation between structure and physical properties of RxBi2Se3 with critical doping level x=0.10. Moreover, we will also attempt to study their vortex pinning regime and vortex dynamics to deepen our understandings on novel vortex matters in topological materials, which may layout fundamental references to manipulate vortices in topological superconductors by artificial pinning centers.

拓扑材料作为一类全新的量子材料，因在未来低功耗自旋电子器件和量子计算机中的应用前景而受到广泛研究。具有强自旋-轨道耦合的掺杂拓扑绝缘体，RxBi2Se3 (R=Cu, Nb, Sr)，为单相拓扑超导体的候选材料，其涡旋芯可携载马约拉纳费米子束缚态，可作为非阿贝尔统计粒子构筑拓扑量子计算机。近年来，金刚石对顶砧（diamond anvil cell, DAC）高压技术在凝聚态物理研究中快速发展，使人们不断发现一些常压下不存在的新奇量子物质态。本项目中，我们将利用DAC技术对临界掺杂量RxBi2Se3（x=0.10）拓扑材料施加极端高压条件并开展有关其晶体结构、晶格动力学及结构与物性关联的系统性对比研究。另外，还将研究RxBi2Se3体系的涡旋钉扎机制及其动力学以加深对拓扑材料中的新奇涡旋物质的认识，为利用人工钉扎中心操控拓扑超导体中的涡旋物质提供基础实验数据。

掺杂拓扑绝缘体RxBi2Se3 (R=Cu, Nb, Sr)是拓扑超导体的候选材料，但其超导临界温度（Tc）却反常的高达到3-4 K即便它们的载流子浓度（10^19-10^20 cm^-3）比较低。在压力高于3 GPa下，此前研究并为对其在高压下结构与超导关联开展系统研究以理解掺杂元素在引入超导及其对晶体结构和晶格动力学的影响。本项目，我们基于金刚石对顶砧技术并结合原位同步辐射x-射线衍射、拉曼散射、电输运及第一性原理计算，对RxBi2Se3体系开展了高压下其晶体结构与物理性质的演化研究。取得的主要结果有：（1）研究了SrxBi2Se3超导单晶的低温拉曼谱，结果表明其拉曼峰相比于母相Bi2Se3发生明显的声子软化效应。进一步分析，我们给出了由化学掺杂引起的电声子相互作用增强的证据，而且其超导行为处于违反绝热近似附近。（2）我们进一步研究了高压对其超导性质和晶格动力学的影响，发现其菱方相的超导临界温度与光学支产生的电声相互作用强度随压力的响应存在正相关。（3）对于Nb0.25Bi2Se3样品，常压下它是多带电子掺杂半导体。高压下，我们研究了其在12 GPa以内的电性异常，发现其存在压致费米面重构。电输运结果表明高压相的超导符合多带超导特征。（4）对于Cu0.20Bi2Se3样品，我们系统研究了其常压下的磁学和电学性质。磁场沿c-轴方向的磁化率测试揭示了其在96 K存在电荷密度异常。电输运结果表明其Kadowaki-Woods比率A/γ^2=30.3a0、临界温度与零温穿透深度比值Tc/λ^-2(0)≅9.86及临界温度与费米温度比值Tc ⁄ T_F=0.034均较高。后两者比值在Uemura的标准图中属于非常规超导体区域，证实其非常规超导电性。总而言之，高压同步辐射x-射线衍射和拉曼散射研究结果表明化学掺杂不会改变Bi2Se3的压致结构相变路径。化学掺杂能增强电声耦合强度从而引入超导电性。高压下其反常超导行为可以用多带超导图像进行理解。我们的结果有助于全面理解Bi2Se3-基超导材料的非常规超导电性和配对机制。